Formulando e caracterizando um sistema portador de dopamina baseado em exossomo

Summary

Nosso objetivo foi obter uma formulação por carga de dopamina dos exossomos isolados de células-tronco da geleia mesenquimal de Wharton. O isolamento e caracterização dos exossomos, a carga do fármaco nos exossomos resultantes e a atividade citotóxica da formulação desenvolvida são descritos neste protocolo.

Abstract

Exossomos entre 40 e 200 nm de tamanho constituem o menor subgrupo de vesículas extracelulares. Essas vesículas bioativas secretadas pelas células desempenham um papel ativo na carga intercelular e na comunicação. Os exossomos são encontrados principalmente em fluidos corporais como plasma, líquido cefalorraquidiano, urina, saliva, líquido amniótico, colostro, leite materno, líquido articular, sêmen e ácido pleural. Considerando o tamanho dos exossomos, acredita-se que eles possam desempenhar um papel importante em doenças do sistema nervoso central, pois podem atravessar a barreira hematoencefálica (BHE). Assim, este estudo teve como objetivo desenvolver um sistema nanocarreador baseado em exossomos por meio do encapsulamento de dopamina em exossomos isolados de células-tronco mesenquimais gelatinosas de Wharton (CTMs-WJ). Os exossomos que passaram pelo processo de caracterização foram incubados com dopamina. Os exossomos carregados de dopamina foram recaracterizados ao final da incubação. Exossomos com dopamina foram investigados em ensaios de liberação de fármacos e citotoxicidade. Os resultados mostraram que a dopamina pode ser encapsulada com sucesso dentro dos exossomos e que os exossomos carregados de dopamina não afetaram a viabilidade dos fibroblastos.

Introduction

Os exossomos, vesículas bioativas com características significativas, variam em tamanho de 40 nm a 200 nm. Os exossomos originam-se da membrana celular e são formados devido à liberação dos endossomos¹. Essas estruturas servem como comunicadores célula a célula e interagem com células vizinhas para facilitar a transferência de moléculas ativas. Os exossomos podem ser isolados de muitas fontes diferentes. Estes incluem fluidos corporais como plasma, urina, líquido cefalorraquidiano, saliva, bem como linhagens celulares cultivadas em condições in vitro . Os exossomos têm papel importante na eliminação de lesões nervosas, graças às biomacromoléculas que contêm, como lipídios, proteínas e ácidos nucléicos². A glia, que são as células de suporte do sistema nervoso³, transfere proteínas e micro RNAs para os axônios dos neurônios via exossomos⁴.

Os lipídios que formam a bainha de mielina, característicos da condução nervosa, também são liberados dos oligodendrócitos via exossomos ^4,5. Os exossomos também estão envolvidos em processos como plasticidade sináptica, resposta neuronal ao estresse, comunicação célula-célula e neurogênese no cérebro ^6,7. O fato de os exossomos possuírem nanodimensões permite que eles passem pelo BBB. Existe uma rota especial de transição do líquido intersticial para o líquido cefalorraquidiano após a penetração dessa membrana⁸. Graças às suas propriedades de superfície, os exossomos podem interagir eficientemente com as células-alvo como um sistema de liberação de drogas e entregar ativamente os medicamentos carregados.

Devido à expressão de várias proteínas adesivas (tetraspaninas e integrinas) na superfície dos exossomos, essas vesículas extracelulares podem facilmente interagir e fundir-se com as membranas celulares do^hospedeiro9. Acredita-se que os exossomos podem ser usados como um sistema de liberação de drogas, especialmente no tratamento de doenças do sistema nervoso central, devido à sua capacidade de penetrar na BHE e suas propriedades de superfície. Exossomos derivados de células-tronco mesenquimais (CTM) apresentam menor risco de rejeição imunológica quando comparados às terapias celulares alogênicas e, nesse aspecto, podem ser um componente importante de aplicações de tratamento livre de células¹⁰.

A dopamina é uma molécula cuja deficiência no cérebro é a característica da doença de Parkinson (DP), agravando-se a cada ^dia11,12,13. Sabe-se que a DP está associada à degeneração de neurônios dopaminérgicos na substância negra do mesencéfalo e à perda das funções dos neurônios motores^14,15. A morte dos neurônios dopaminérgicos impede o fornecimento do neurotransmissor dopamina para o estriado cerebral. Isso, por sua vez, resulta no surgimento de sintomas específicos da DP¹⁶. Esses sintomas da DP são bradicinesia, instabilidade postural, rigidez e, principalmente, tremor de repouso^12,13. Embora a DP tenha sido descrita pela primeira vez há mais de dois séculos, estudos para entender a patologia e a etiologia da doença ainda estão em andamento e atualmente é aceito que a DP é uma doença sistêmica^complexa17. Prevê-se que ocorra deficiência de dopamina, e sintomas clínicos de DP são observados quando mais de 80% dos neurônios degeneram¹⁸. No tratamento da doença, a suplementação incompleta de dopamina é preferida para reduzir os sintomas motores. Estudos in vivo demonstraram que a infusão direta de dopamina no cérebro reduz significativamente os sintomas em animais¹⁹. Precursores de dopamina como a L-DOPA (L-3,4-dihidroxifenilalanina) e drogas receptoras de dopamina são usados na clínica porque a infusão direta de dopamina no cérebro não é possível em humanos e a dopamina que entra no sistema não pode atravessar a BHE²⁰. Esses tipos de medicamentos perdem sua eficácia com o tempo. No entanto, ainda não existe uma abordagem terapêutica curativa para a DP. Assim, há uma enorme necessidade de desenvolver novas estratégias terapêuticas e modalidades de tratamento para revelar a fisiopatologia da doença e reduzir o impacto da DP nos pacientes.

Estudos baseados em exossomos têm recentemente atraído atenção por reunir informações sobre abordagens terapêuticas e patologias de doenças do sistema nervoso. Exossomos derivados de CTM demonstraram reduzir a inflamação no dano ao nervo e contribuir para a regeneração neuronal^21,22,23. Além disso, tem sido relatado que os secretomas do exossomo derivados das CTM reduzem a apoptose por apresentarem efeitos neurotróficos e neuroprotetores, especialmente sobre os neurônios dopaminérgicos^24,25. A pesquisa em plataformas nas quais exossomos são usados como sistemas terapêuticos de liberação de fármacos tem acelerado intensamente nos últimos anos. Em numerosos estudos, observou-se que drogas relevantes podem ser facilmente encapsuladas em exossomos e entregues com segurança em células-alvo, tecidos e órgãos^26,27. Diferentes métodos como incubação, ciclos de congelamento/descongelamento, sonicação e extrusão podem ser utilizados para o carregamento de fármacos em exossomos²⁸.

A coincubação com exossomos ou vesículas semelhantes a exossomos permite que pequenas moléculas lipofílicas sejam passivamente encapsuladas nesses sistemas de liberação^28,29,30. Em particular, várias moléculas como curcumina 31, catalase 30, doxorrubicina³², e paclitaxel³³ foram efetivamente carregadas em exossomos. Observou-se que os exossomos contendo catalase, que possuem atividade antioxidante, acumularam-se eficientemente nos neurônios e células da microglia no cérebro e exibiram forte atividade neuroprotetora³⁰. No mesmo estudo, a saponina, adicionada ao complexo para aumentar a eficiência de carga, aumentou a porcentagem de carga do fármaco durante a incubação^30,34. No entanto, mais estudos são necessários para estabelecer os padrões para a carga de drogas em exossomos.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema nanocarreador por encapsulamento de dopamina em exossomos isolados de CTMs-WJ. Todas as etapas, incluindo o cultivo de CTMs-WJ, isolamento e caracterização de exossomos, experimentos de carregamento de drogas, caracterização de exossomos carregados de dopamina com várias técnicas e análise de citotoxicidade in vitro são explicadas em detalhes.

Protocol

NOTA: Consulte a Tabela de Materiais para obter detalhes relacionados a todos os materiais e equipamentos utilizados neste protocolo. 1. Cultura e criopreservação de células-tronco mesenquimais gelatinosas de Wharton Remova os WJ-MSCs (do ATCC) do congelador de -80 °C. Semeando as células em um frasco contendo meio DMEM-F12 suplementado com 10% de soro fetal bovino (SFB). Incubá-los a 37 °C numa incubadora contendo 5% de CO2. …

Representative Results

Isolamento e caracterização de exossomosAs células-tronco da geleia de Wharton são cultivadas e incubadas em meio livre de soro por 48 h quando a cultura atinge densidade suficiente. Após o término da incubação, o sobrenadante é armazenado a -20 °C. Os sobrenadantes coletados são diluídos em PBS e submetidos à ultracentrifugação (Figura 1). A solução obtida é analisada por NTA e DLS. Os exossomos são esterilizados passando por um filtro de 0,22 μm. O…

Discussion

Exossomos são pequenas vesículas de membrana com dimensões de 40-200 nm secretadas pela maioria dos tipos celulares, por exemplo, CTMs¹. Capazes de permitir a comunicação entre as células, os exossomos podem entrar nas células de diferentes maneiras, como endocitose, fagocitose, micropinocitose, internalização mediada por lipídios e fusão^33,44. Comparados a outros sistemas nanocarreadores, os lipídios e o colesterol encontrados…

Materials

0.22 µm membrane filter	Aisimo		Used for the sterilization process
0.45 µm syringe filter	Aisimo		Used for the sterilization process
15 mL Falcon tube	Nest		Used in cell culture step
25 cm2 cell culture flasks (Falcon, TPP tissue culture flasks	Nest		Used in cell culture step
50 mL Falcon tube	Nest		Used in cell culture step
75 cm2 cell culture flasks (Falcon, TPP tissue culture flasks	Nest		Used in cell culture step
96 well plates (Falcon, TPP microplates)	Merck Millipore		Used in cell culture step
Acetonitrile	Sigma	271004-1L	Used for HPLC analysis
Autoclave	NUVE-OT 90L		Used for the sterilization process
Cell Culture Cabin	Hera Safe KS		Used for the cell culture process
Centrifugal	Hitachi	CF16RN	Used in the exosome isolation step
CO2 incubator with Safe Cell UV	Panasonic		Used for the cell culture process
Dopamine hydrochloride H8502-10G	Sigma	H8502-10G	Used in exosome dopamine loading
Dulbecco's Modified Eagle's Medium/Nutrient Mixture-F12	Sigma	RNBJ7249	Used as cell culture medium
Fetal Bovine Serum-FBS	Capricorn	FBS-16A	It was used by adding to the cell culture medium.
Freezer -80 °C	Panasonic	MDF-U5386S-PE	To store cells and the resulting exosomes
Fridge	Panasonic	MPR-215-PE	Used to store cell culture and other materials
High performance liquid chromatography-HPLC	Agilent Technologies		The presence of dopamine from the content of the obtained formulation was investigated.
Microscope- Primovert	Zeiss		Used to observe cells in cell culture.
MTT Assay	Biomatik		Used to measure cell viability
NanoSight NS300	Malvern panalytical	Malvern panalytical	Used for exosome characterization
Optima XPN-100 Ultracentrifuge	Beckman Coulter		Used in the exosome isolation step
PBS tablet	Biomatik	43602	In the preparation of the PBS solution
Penicilin/Streptomycin Solution	Capricorn	PB-S	It was added to the medium to prevent contamination in cell culture.
Pipette Aid	Isolab
Precision balance-Kern	Kern-ABJ220-4NM		Used in the preparation of solutions
Q500 Sonicator	Qsonica, LLC		Used to digest exosomes in HPLC analysis
Saponin	Sigma	47036-50G-F	It was used by adding it to the total solution in the exosome dopamine loading process.
Spectrostar-Nano-Spectrophotometry	BMG LABTECH		Used for MTT and drug release analyzes
SPSS 22			statistical package program
Vorteks-FinePCR	FinePCR-FineVortex		Used to mix solutions homogeneously
Water Bath 37 °C-Senova	Senova		Used in cell culture step
Wharton’s jelly mesenchymal stem cells	ATCC
ZetaSizer	Malvern Nano ZS	Malvern Nano ZS	Used for exosome characterization